Cell Metabolism | 氨基酸如何支持免疫（下）-技術(shù)前沿-資訊-生物在線

Cell Metabolism | 氨基酸如何支持免疫（下）

作者：麥特繪譜生物科技（上海）有限公司 2020-11-18T14:50 (訪問量:16507)

上期文章Cell Metabolism | 氨基酸如何支持免疫（上）從以下幾個方面進行了總結(jié)：（1）不同免疫細胞如何選擇性地獲取氨基酸；（2）氨基酸如何支持對免疫細胞激活至關(guān)重要的代謝重編程；（3）氨基酸作為免疫細胞內(nèi)氧化還原平衡的中心調(diào)節(jié)因子如何影響免疫細胞的代謝和翻譯活性。本期繼續(xù)探討氨基酸如何通過提供中間體來調(diào)節(jié)免疫效應(yīng)蛋白的活性、急性免疫反應(yīng)和免疫細胞記憶，以及免疫細胞與腫瘤細胞之間的氨基酸競爭，通過靶向氨基酸代謝如何調(diào)節(jié)癌癥、感染和自身免疫中的免疫反應(yīng)。

氨基酸支持核酸和蛋白質(zhì)修飾

氨基酸為甲基化提供甲基。蛋氨酸除了對硫代謝具有重要作用外，還為蛋白質(zhì)和核苷酸的甲基化提供甲基來調(diào)節(jié)它們的功能（圖2和3）。組蛋白和DNA甲基化可以通過改變DNA對轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的可及性來促進或抑制轉(zhuǎn)錄，T細胞激活時抑制(H3K27)和激活(H3K4)組蛋白甲基化均是轉(zhuǎn)錄重構(gòu)的基礎(chǔ)。腺苷甲基化控制mRNA穩(wěn)定性對T細胞穩(wěn)態(tài)具有重要意義，缺乏N6-甲基腺苷甲基化(m6A) RNA的T細胞不會擴增和分化。蛋氨酸通過產(chǎn)生SAM來提供甲基基團，SAM是DNA、RNA和蛋白質(zhì)甲基轉(zhuǎn)移酶的甲基供體，甲基轉(zhuǎn)移酶將甲基基團從SAM轉(zhuǎn)移至底物，產(chǎn)生SAH和甲基化底物（圖2）。然后，SAH水解酶將SAH代謝為同型半胱氨酸(Hcy)，Hcy可進一步生成半胱氨酸。蛋氨酸饑餓或蛋氨酸循環(huán)抑制的Th₁₇細胞在Il17a啟動子上H3K4甲基化降低且IL-17分泌減少，而蛋氨酸饑餓的Th₁細胞產(chǎn)生更少的IFN-γ。此外，膳食蛋氨酸限制導(dǎo)致EAE小鼠產(chǎn)IL-17和IFN-γ的細胞減少，延緩疾病的發(fā)生并降低了其嚴重程度。除了對免疫細胞功能的急性影響，蛋氨酸還可通過表觀遺傳修飾免疫細胞記憶而產(chǎn)生更持久的影響。

Figure 2. Sulfurous Amino Acids Maintain Redox Balance and Drive Protein Synthesis

基于蛋氨酸轉(zhuǎn)運的T細胞激活。抗原刺激的T細胞增加并維持蛋氨酸轉(zhuǎn)運到細胞中，這是激活T細胞中甲基供體供應(yīng)和甲基化目標分子的限速步驟。蛋氨酸轉(zhuǎn)運體的表達僅限于活化的T細胞，即使未成熟T細胞具有蛋氨酸代謝酶，也不能將足夠的蛋氨酸轉(zhuǎn)運到細胞中來增加蛋白質(zhì)合成。因此，控制細胞蛋氨酸水平調(diào)控T細胞狀態(tài)。只有能增加蛋氨酸轉(zhuǎn)運的T細胞才有足夠的蛋氨酸來驅(qū)動甲基化、蛋白質(zhì)合成和增殖。Slc7a5是激活T細胞中主要的蛋氨酸轉(zhuǎn)運體，對T細胞分化具有重要影響。TCR刺激促進蛋氨酸循環(huán)通量，增加SAH和Hcy的產(chǎn)生，并且蛋氨酸缺失時激活CD4⁺T細胞有增殖缺陷，但激活標志正常表達，產(chǎn)生IFN-γ的細胞頻率較低。蛋氨酸限制通過減弱Myc誘導(dǎo)來限制T細胞活化，這是T細胞活化的關(guān)鍵。

精氨酸促進多胺代謝。甲基化不是唯一受氨基酸供應(yīng)調(diào)控的PTM（圖3）。精氨酸代謝也會導(dǎo)致蛋白結(jié)構(gòu)修飾從而影響免疫細胞功能。精氨酸酶I將精氨酸代謝為鳥氨酸，而鳥氨酸供應(yīng)多胺合成，包括亞精胺的產(chǎn)生。亞精胺被用來合成非常規(guī)的氨基酸hypusine，它在翻譯后只修飾一個已知的靶點，真核翻譯起始因子5a(eIF5a)，驅(qū)動翻譯延伸和終止。小鼠M1樣巨噬細胞通過誘導(dǎo)型NO合酶(iNOS)代謝精氨酸產(chǎn)生瓜氨酸和NO，抑制OXPHOS，導(dǎo)致糖酵解增加并支持促炎巨噬細胞功能，包括細胞因子的產(chǎn)生。多胺的產(chǎn)生支持M2樣巨噬細胞的功能，同時限制M1樣巨噬細胞的炎癥活性。

巨噬細胞從凋亡細胞中攝取精氨酸，通過精氨酸酶I代謝，并以腐胺依賴的方式激活肌動蛋白調(diào)節(jié)蛋白Rac1，使凋亡細胞進一步內(nèi)化，確保巨噬細胞的代謝物供應(yīng)。髓源性抑制細胞(MDSCs)還通過精氨酸酶增加精氨酸代謝，限制精氨酸對T細胞的供應(yīng)，并以類似的方式抑制NK細胞功能和IFN-γ的產(chǎn)生。精氨酸缺乏的NK細胞活力、NK細胞激活受體NKp46和NKp30的表達以及IFN-γ降低。精氨酸驅(qū)動代謝向氧消耗轉(zhuǎn)變，增加活化的T細胞的備用呼吸功能，并支持CD4⁺T和CD8⁺T細胞存活。多胺替代部分挽救了谷氨酰胺剝奪對T細胞活化的不利影響，表明谷氨酰胺的一個用途可能是代謝為精氨酸以合成多胺。亞精胺還具有抗衰老作用，可能是由于其增強免疫細胞的功能。亞精胺隨著年齡的增長而減少，膳食補充或增強腸道菌群合成亞精胺可能通過維持免疫細胞活性而有助于延長壽命。

Figure 3. Amino Acids Influence Cell Function by Supplying Intermediates for Protein and Nucleotide Modifications

谷氨酰胺為己糖胺生物合成途徑提供燃料。己糖胺生物合成途徑(HBP)將谷氨酰胺代謝為尿苷二磷酸N-乙酰-氨基葡萄糖(UDP-GlcNAc)。谷氨酰胺饑餓或谷氨酰胺分解增加限制了谷氨酰胺對HBP的供應(yīng)，降低細胞內(nèi)UDP-GlcNAc水平，從而影響T細胞的功能。HBP和N-連接糖基化通量也調(diào)節(jié)Th₁₇細胞分化。Th₁₇細胞中，高糖酵解和谷氨酰胺分解限制了HBP活性，從而限制N-聚糖的分支并促進 Th₁₇細胞的產(chǎn)生。谷氨酰胺或 GlcNAC的補充，或谷氨酰胺分解的抑制，逆轉(zhuǎn)了這些效應(yīng)，阻礙了Th₁₇細胞的產(chǎn)生，同時促進了T_reg細胞的分化。

TCR刺激和c-Myc激活促進CD4⁺T細胞的O-GlcNAc糖基化，這需要增加谷氨酰胺的攝取來增加UDP-GlcNAc的供應(yīng)，通過這種修飾，NFAT和c-Myc本身被激活和穩(wěn)定。胸腺T細胞自我更新、T細胞激活和擴增以及新生RNA合成、IL-2產(chǎn)生和原代人T細胞增殖需要O-GlcNAc轉(zhuǎn)移酶（OGT）。PKM2的O-GlcNAc糖基化促進了白血病細胞和實體瘤的核易位和糖酵解的激活。谷氨酰胺、甘氨酸以及半胱氨酸也可用于S-谷胱甘肽化修飾，在靶蛋白中加入谷胱甘肽三肽。但這種修飾是否以及如何在免疫細胞中發(fā)揮作用目前尚不清楚。總的來說，TCR刺激可以增加UDP-GlcNAc的產(chǎn)生，這本身就需要增加谷氨酰胺的供應(yīng)，再次突出了谷氨酰胺運輸是調(diào)控T細胞功能的控制點。

BCAAs支持乙酰化。BCAA代謝提供用于乙酰化的乙酰CoA衍生物。HeLa細胞中亮氨酸衍生的乙酰CoA通過EP300乙酰轉(zhuǎn)移酶乙酰化mTORC1調(diào)節(jié)因子Raptor。一般來說，組蛋白乙酰化使染色質(zhì)更容易進入轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，并與轉(zhuǎn)錄增加有關(guān)，而組蛋白去乙酰化與轉(zhuǎn)錄抑制有關(guān)。H3K27乙酰化的廣泛改變伴隨著巨噬細胞的分化，并且組蛋白乙酰化的差異有助于誘導(dǎo)天然免疫耐受（對再刺激的反應(yīng)性降低）或訓(xùn)練(對再刺激的反應(yīng)性增加)。參與糖酵解和mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因在人原代單核細胞的β-葡聚糖訓(xùn)練中表現(xiàn)出改變的乙酰化模式。調(diào)節(jié)HDAC活性和啟動子乙酰化可正向和負向調(diào)節(jié)炎癥基因的表達。

非組蛋白乙酰化也會影響免疫細胞功能。中樞促炎轉(zhuǎn)錄因子核因子(NF) kB的活性需要其乙酰化，NLRP3蛋白乙酰化促進炎癥小體的激活。乙酰化可能是伴隨免疫細胞激活的代謝開關(guān)的基礎(chǔ)，因為大多數(shù)糖酵解和TCA循環(huán)酶都可以乙酰化，從而影響酶的功能。例如記憶CD8⁺T細胞中3-磷酸甘油醛脫氫酶乙酰化增強了自身的活性，增加糖酵解以支持迅速的召回反應(yīng)和細胞因子產(chǎn)生。這些記憶CD8⁺T細胞增加乙酸攝取，以擴大其乙酰CoA池，以支持這種增加的乙酰化，但增加BCAA供應(yīng)可能具有同樣的效果。相反，由HDACs介導(dǎo)的去乙酰化可以抗炎，因此限制BCAAs的乙酰化供應(yīng)可以達到類似的結(jié)果。

氨基酸用于免疫細胞核苷酸合成

細胞分裂和轉(zhuǎn)錄過程中需要核苷酸來合成DNA和RNA，嘌呤和嘧啶核苷酸通過細胞周期促進活化的T細胞進程，Myc增加核苷酸合成基因的表達。天冬氨酸和谷氨酰胺為嘧啶環(huán)的形成提供碳骨架，而來自絲氨酸-甘氨酸代謝的甘氨酸和四氫葉酸(THF)為嘌呤的合成提供碳。核苷酸可以部分挽救谷氨酰胺剝奪對T細胞活化的不利影響，表明谷氨酰胺在免疫細胞活化中可以提供核苷酸。

CD8⁺ T_eff細胞激活增加了絲氨酸、甘氨酸、一碳(SGOC)網(wǎng)絡(luò)組分的表達，并且絲氨酸限制抑制T細胞增殖，但不抑制活化標志物CD69、CD25和CD44或IFN-γ的產(chǎn)生。這些T細胞需要胞外絲氨酸來支持嘌呤核苷酸的產(chǎn)生，為絲氨酸缺乏的T細胞提供甲酸和甘氨酸足以恢復(fù)嘌呤生物合成和T細胞增殖，絲氨酸是1-C途徑的主要碳來源。有研究報道甘氨酸通過在質(zhì)膜中打開甘氨酸門控通道來降低細胞內(nèi)鈣水平從而對T細胞也有抗增殖作用。

核苷酸合成也需要天冬氨酸。ETC活性抑制的Jurkat細胞降低了天冬氨酸的合成，從而減緩了這些細胞的增殖。胞質(zhì)天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶GOT1將天冬氨酸轉(zhuǎn)氨為谷氨酸從而將還原當量轉(zhuǎn)移到線粒體基質(zhì)，但在ETC被抑制時，反向產(chǎn)生天冬氨酸，部分補償線粒體天冬氨酸合成的損失，這種逆轉(zhuǎn)作用支持ETC抑制的Jurkat細胞的增殖。線粒體代謝還通過提供電子受體(如O₂)來支持天冬氨酸的合成。谷氨酰胺合成天冬氨酸需要線粒體代謝產(chǎn)生的電子受體。在沒有這種電子受體的情況下，天冬氨酸的合成和核苷酸的產(chǎn)生降低。

免疫細胞與癌細胞競爭氨基酸

所有細胞都需要氨基酸來合成蛋白質(zhì)和發(fā)揮功能，但免疫細胞狀態(tài)的迅速和急劇變化對氨基酸的要求非常特殊。限制氨基酸供應(yīng)會損害免疫細胞功能，這種情況可能發(fā)生在致瘤環(huán)境中，以限制抗腫瘤免疫。癌細胞具有較高的代謝需求，可以與免疫細胞競爭氨基酸資源（圖4）。

Figure 4. Do Immune Cells and Tumor Cells Compete for Amino Acids in the Tumor Microenvironment?

腫瘤細胞具有不同的氨基酸需求。與T細胞一樣，腫瘤細胞從外界攝取氨基酸依賴于谷氨酰胺的攝入。甘氨酸通過Shmt2促進絲氨酸-甘氨酸交換，甘氨酸消耗與癌細胞增殖有關(guān)。Shmt2活性的增加驅(qū)動絲氨酸代謝，通過供應(yīng)核苷酸支持癌細胞增殖。癌細胞確實會增加SGOC網(wǎng)絡(luò)的活性，其中絲氨酸被代謝為甘氨酸，并產(chǎn)生5，10-亞甲基四氫葉酸，為核苷酸合成提供1-C。腫瘤初始細胞增加了蛋氨酸循環(huán)活性和轉(zhuǎn)甲基化速率，使這些細胞依賴于胞外蛋氨酸的攝入。抑制蛋氨酸代謝或限制胞外蛋氨酸可促進癌細胞死亡。脯氨酸代謝支持轉(zhuǎn)移形成，乳腺癌細胞攝取丙酮酸也是如此。乳腺癌細胞利用這種代謝物驅(qū)動膠原羥化重塑細胞外基質(zhì)，促進轉(zhuǎn)移。這種膠原修飾依賴于丙酮酸代謝為αKG，同時分泌丙氨酸，這可以驅(qū)動未成熟T細胞的初始激活和T_mem細胞的再刺激。另一方面，丙酮酸還能增加巨噬細胞中免疫檢查點受體配體PD-L1的表達。癌細胞攝取的丙酮酸是否用于增加PD-L1的表達并抑制抗腫瘤反應(yīng)值得探究。通過BCAT1增加BCAA分解代謝促進膠質(zhì)母細胞瘤的生長，可能是通過促進產(chǎn)能的代謝途徑，但肝細胞癌的進展與BCAT1介導(dǎo)的BCAA分解代謝減少有關(guān)。這保留了BCAAs來激活mTOR。因此，重要的是要描述不同癌癥類型的氨基酸需求。

由于腫瘤細胞和各種腫瘤相關(guān)免疫細胞的氨基酸代謝，腫瘤微環(huán)境中氨基酸供應(yīng)的改變可能具有促進和抗腫瘤的作用。例如，剝奪T_reg細胞中的氨基酸可以消除其對T_eff功能的抑制作用，從而促進T_eff細胞的抗癌活性。刺激TCR可增加T_reg細胞中氨基酸轉(zhuǎn)運體的表達，精氨酸和亮氨酸通過小G蛋白RagA/B和 Rheb1/2促進T_reg細胞mTORC1的活性。這種信號驅(qū)動T_reg細胞的抑制活性，包括誘導(dǎo)性T細胞共刺激因子(ICOS)和CTLA4的表達。B16黑色素瘤模型中，RagA缺乏會損害T_reg細胞在腫瘤中的增殖和積累，使腫瘤浸潤的CD8⁺T細胞隨著顆粒酶B水平的增加而擴張，增強抗腫瘤免疫。

腫瘤微環(huán)境中哪些細胞類型攝取氨基酸，以及轉(zhuǎn)運蛋白譜和拷貝數(shù)是否不同有待進一步研究。谷氨酸對T細胞的不同影響依賴于轉(zhuǎn)運體的表達。Gls1在許多癌癥中過表達，這可能會增加谷氨酸的水平。乳腺癌細胞、巨噬細胞和DCs分泌的谷氨酸經(jīng)常滲入腫瘤。未成熟T細胞表達谷氨酸轉(zhuǎn)運體mGlu5R，抑制TCR介導(dǎo)的激活和增殖，而活化的T細胞表達另一種谷氨酸轉(zhuǎn)運體mGlu1R，通過MEK-ERK1/2抑制mGlu5R的抗增殖活性，促進增殖以及IL-2和IFN-γ的產(chǎn)生。這兩種轉(zhuǎn)運體的平衡決定谷氨酸是具有促進還是抗腫瘤作用。B細胞和DCs也表達谷氨酸受體，使其功能受到谷氨酸的調(diào)節(jié)。谷氨酸信號通過kainate受體，以增加激活B細胞產(chǎn)生的免疫球蛋白。未來的研究需要為腫瘤和免疫細胞之間對氨基酸的競爭提供直接證據(jù)，以及這如何最終調(diào)節(jié)癌癥的保護性免疫。

抗腫瘤免疫中的色氨酸和精氨酸。色氨酸代謝酶吲哚胺-2，3-雙加氧酶1（IDO-1）抑制劑可針對多種癌癥起作用。IDO-1將色氨酸分解代謝為犬尿氨酸，在癌細胞和激活的免疫細胞中其表達均增加。T細胞的增殖和激活需要色氨酸，利用IDO-1抑制劑針對癌細胞也可能通過限制色氨酸代謝抑制T細胞介導(dǎo)的免疫。因此，將IDO-1抑制劑特異性靶向癌細胞至關(guān)重要。腫瘤細胞中IDO的過表達也會損害T細胞的反應(yīng)，可能是通過驅(qū)動癌細胞中的色氨酸降解和限制T細胞的色氨酸供應(yīng)。犬尿氨酸的增加可調(diào)節(jié)T細胞反應(yīng)，誘導(dǎo)細胞凋亡，降低TCR表達，并促進T_reg細胞分化。犬尿氨酸也會抑制NK細胞增殖和細胞因子的產(chǎn)生。

腫瘤相關(guān)的pDCs在腫瘤引流淋巴結(jié)中積累，并通過IDO引起抗原特異性T細胞失能。腫瘤相關(guān)DCs還消耗精氨酸，限制T細胞對它的利用，而DCs將亞精胺代謝為精氨酸進一步推動IDO的表達。這與T細胞中亞精胺的產(chǎn)生形成了鮮明的對比，從而增強了它們的抗腫瘤作用。總的來說，DCs的這些作用限制了T細胞的抗腫瘤免疫。MDSCs抑制CD8⁺T細胞功能是通過靶向胞內(nèi)精氨酸而不是精氨酸的攝取。最近一項研究表明，MDSCs將甘氨酸衍生的代謝物甲基乙二醛轉(zhuǎn)移到CD8⁺T細胞，與精氨酸形成糖基化產(chǎn)物，從而消耗CD8⁺T細胞激活所需的胞內(nèi)精氨酸。

精氨酸缺失也會阻礙IFN-γ的產(chǎn)生和人NK細胞增殖。表達精氨酸酶的腫瘤相關(guān)巨噬細胞(TAMS)與促腫瘤生長有關(guān)，而低精氨酸酶表達的TAMS通過促進巨噬細胞和NK細胞介導(dǎo)的抗腫瘤免疫而驅(qū)動腫瘤縮小。抑制免疫細胞直接靶向胞內(nèi)精氨酸代謝和限制胞外精氨酸供應(yīng)限制抗腫瘤T細胞免疫，表明免疫細胞如何通過腫瘤環(huán)境中的氨基酸代謝相互調(diào)節(jié)。

半胱氨酸在癌癥免疫治療中的調(diào)節(jié)作用。腫瘤細胞對鐵死亡特別敏感，腫瘤免疫治療中，CD8⁺T細胞激活腫瘤中的鐵死亡，驅(qū)動脂質(zhì)過氧化和腫瘤細胞死亡。這些T細胞中的IFN-γ降低了腫瘤細胞的谷氨酸-胱氨酸逆向轉(zhuǎn)運系統(tǒng)X_C^-的成分Slc3a2 和 Slc7a11。這限制了腫瘤細胞攝取胱氨酸，減弱了它們拮抗鐵死亡的能力。胱氨酸和半胱氨酸耗竭結(jié)合檢查點阻斷協(xié)同增強T細胞抗腫瘤免疫。MDSCs可能通過限制半胱氨酸對T細胞的有效性來限制T細胞的激活，DCs也是如此。這種影響可能部分是由于GSH合成的限制和細胞外氧化還原狀態(tài)的改變。

靶向氨基酸代謝用于抗癌治療。癌細胞對氨基酸攝取和代謝的依賴意味著特定靶向相關(guān)細胞類型中的這些過程可能作為癌癥治療的手段。比如，優(yōu)先被腫瘤微環(huán)境中的酶激活的谷氨酰胺拮抗劑的前藥形式，降低了體內(nèi)MC38結(jié)腸腫瘤的糖酵解和OXPHOS，但在CD8⁺T腫瘤浸潤淋巴細胞（TILs）中促進了這些反應(yīng)。TILS，而非MC38腫瘤細胞，能夠通過增加糖酵解代謝物進入TCA循環(huán)的通量來補償谷氨酰胺代謝的下降，這增強了抗腫瘤免疫。此外，調(diào)節(jié)精氨酸的供應(yīng)也可以限制抗腫瘤T細胞的活性。

癌細胞和腫瘤相關(guān)免疫細胞上不同的轉(zhuǎn)運體表達可能有助于氨基酸代謝的特異性靶向。癌細胞上特定轉(zhuǎn)運體表達的增加被可用于針對這些細胞的藥物，也可能意味著腫瘤細胞對某些氨基酸的依賴增加。氨基酸轉(zhuǎn)運體也可以被操縱，特異性地將具有氨基酸片段或氨基酸樣結(jié)構(gòu)的藥物傳遞給腫瘤細胞。

暴露于高氧化應(yīng)激的癌癥使用氨基酸來產(chǎn)生抗氧化分子。具有核因子紅血球2相關(guān)因子(Nrf)2/Kelch樣ECH相關(guān)蛋白(Keap)1突變的肺腺癌高度依賴于外源性非必需氨基酸，缺乏天冬酰胺或絲氨酸和甘氨酸的飲食可減少Keap1突變型腫瘤的生長。這意味著飲食干預(yù)是潛在的抗癌策略。

小結(jié)

氨基酸在許多方面影響免疫細胞功能，而不僅僅是為蛋白質(zhì)合成提供材料。它們在中樞能量代謝、氧化還原平衡、表觀遺傳修飾和PTMs中的作用使它們能夠通過多種機制調(diào)節(jié)免疫（圖5），從而為治療干預(yù)提供了多種靶點。氨基酸轉(zhuǎn)運體是很好的潛在藥物靶點，飲食干預(yù)也可能有類似的效果，這兩種策略都可能有利于治療癌癥和其他疾病。不同免疫細胞對氨基酸擾動的反應(yīng)可能不同，這取決于它們是否表達轉(zhuǎn)運體和胞內(nèi)代謝酶來處理這些氨基酸。不同組織和部位含有不同的氨基酸儲備。氨基酸也可以小肽的形式儲存，如谷胱甘肽，然后可以分解代謝釋放半胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸，反過來可以代謝產(chǎn)生其他氨基酸。總之，靶向免疫細胞氨基酸代謝是增強或拮抗免疫反應(yīng)的有效手段，增強對免疫細胞氨基酸代謝的認識可能具有很大的治療價值。